張 冰,王 琳,浮 翔,徐衛(wèi)星,杜金宇

(1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院,鄭州 450011; 2.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300130)

鐵鎵合金是一種新型的磁致伸縮材料,具有低磁場(chǎng)下應(yīng)變高、應(yīng)力靈敏度高、抗拉強(qiáng)度高和易于加工等優(yōu)點(diǎn),是新型傳感器件和振動(dòng)發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)材料[1-4]。磁滯特性是衡量鐵鎵材料上述性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),它表征鐵鎵材料器件的穩(wěn)定性和可控制性[5]。而電磁損耗是磁致伸縮材料應(yīng)用的一個(gè)重要參數(shù),對(duì)于提高器件的工作效率具有重要意義[6]。

目前鐵磁材料磁滯曲線的測(cè)量方法主要有:示波器法、鐵磁儀法和采樣法等。文獻(xiàn)[7]基于法拉第電磁感應(yīng)定律采用示波器法對(duì)鐵磁材料進(jìn)行了測(cè)試研究,但沒有對(duì)測(cè)試出的磁滯曲線進(jìn)行深入的分析。文獻(xiàn)[8]運(yùn)用了基片集成波導(dǎo)諧振腔采樣法測(cè)量了微波材料磁滯曲線和磁導(dǎo)率,但此法適用于高損耗材料電磁參數(shù)的測(cè)量,不具有普遍的應(yīng)用性。文獻(xiàn)[9]提出一種采用極性變化的直流電壓源來測(cè)量鐵磁元件鐵心剩磁通和剩磁系數(shù)的方法,繪制整個(gè)過程中的磁通與電流關(guān)系曲線,即可得到鐵心的部分飽和磁滯回線,根據(jù)獲得的飽和磁滯回線來計(jì)算鐵心剩磁通和剩磁系數(shù)。文獻(xiàn)[10]利用AMH-1M-S型動(dòng)態(tài)磁滯特性測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了鐵鎵合金的動(dòng)態(tài)磁滯特性,但沒有考慮壓應(yīng)力對(duì)鐵鎵合金磁滯特性的影響。文獻(xiàn)[11]基于鐵磁儀法,測(cè)試了硅鋼片磁化曲線數(shù)據(jù),計(jì)算了基準(zhǔn)模型硅鋼疊片內(nèi)的損耗及磁通,此法的不足在于沒有對(duì)硅鋼片的動(dòng)態(tài)磁滯特性進(jìn)一步的研究。

本文基于安培定律和法拉第電磁感應(yīng)定律,設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)易的測(cè)試裝置,測(cè)試了鐵鎵合金棒在壓應(yīng)力下的動(dòng)態(tài)磁滯回線,繪制了鐵鎵合金棒在不同壓應(yīng)力和不同磁場(chǎng)頻率下的磁滯曲線,并分析了上述情況下磁滯曲線的變化規(guī)律,同時(shí)研究了壓應(yīng)力和磁場(chǎng)頻率對(duì)鐵鎵合金棒的矯頑力和電磁損耗的影響。

1 原理和方法

當(dāng)鐵鎵合金棒施加正弦交變磁場(chǎng)H時(shí),產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B也為正弦變化,但由于磁滯的存在,使得磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度存在一定的相位差:

H=Hmcos(ωt)

(1)

B=Bmcos(ωt-δ)

(2)

式中:Hm為磁場(chǎng)強(qiáng)度的峰值;Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值;ω為角頻率;δ為相位差。

對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)試通過在激磁線圈中通入一定幅值的正弦交流電,由安培定律可得:

(3)

式中:N為激磁線圈的匝數(shù);i為通入激磁線圈的正弦交變電流;L為磁路的總長(zhǎng)度。

對(duì)于磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)試運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)定律,即在鐵鎵合金棒上繞制一定匝數(shù)的線圈。當(dāng)鐵鎵合金棒上的外加磁場(chǎng)變化時(shí),線圈中的磁通量就會(huì)改變,由法拉第電磁感應(yīng)定律得:

(4)

對(duì)式(4)兩邊積分得:

(5)

式中:φ為鐵鎵棒上感應(yīng)線圈的磁通量;N′為鐵鎵棒上感應(yīng)線圈的匝數(shù);S為磁芯的有效截面積;B為棒狀鐵鎵合金上的磁感應(yīng)強(qiáng)度;e為鐵鎵棒上感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓。

鐵鎵合金單位體積電磁損耗[12]:

(6)

式中:f為磁場(chǎng)的頻率;Hm為磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值;Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值;δ為兩者相位差;ω為角頻率。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

圖1為鐵鎵合金壓應(yīng)力作用下的磁滯曲線測(cè)試裝置。該測(cè)試裝置主要由鐵鎵合金棒、激磁線圈、感應(yīng)線圈、壓力傳感器、軛鐵和螺栓構(gòu)成。該裝置的壓力傳感器為湖南長(zhǎng)沙紅旗儀器廠生產(chǎn)的,型號(hào)為GZB-2型電阻應(yīng)變式壓力傳感器。它采用彈性梁和電阻應(yīng)變片作為敏感轉(zhuǎn)換元件,組成全橋電路進(jìn)行測(cè)量,外加SY-2C有源放大器將信號(hào)放大到伏數(shù)量級(jí),并由數(shù)字萬用表顯示。其量程為0～150 kg,精度為0.3%,非線性、滯后誤差小于額定載荷的0.2%,重復(fù)性誤差小于0.1%,輸出靈敏度為1 mV/V,分辨能力為額定載荷的0.01%。激磁線圈采用線徑為0.5 mm的漆包線繞制而成,匝數(shù)為250匝。感應(yīng)線圈采用線徑為0.1 mm的漆包線繞制而成,匝數(shù)為40匝。

圖1 壓應(yīng)力下鐵鎵合金磁滯曲線測(cè)試裝置

工作原理如下:鐵鎵合金棒處于該裝置的中心,激磁線圈通過外界正弦交流電源,產(chǎn)生一個(gè)交變電流,交變電流流過激磁線圈產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。交變的磁場(chǎng)通過鐵鎵合金棒,壓力傳感器(鋼制導(dǎo)磁)和軛鐵形成閉合磁路。鐵鎵合金棒上的感應(yīng)線圈在交變的磁場(chǎng)作用下,會(huì)感應(yīng)出電壓,感應(yīng)電壓通過磁通計(jì)測(cè)試磁通大小,從而可以間接地得到鐵鎵合金棒上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于激磁線圈緊貼于鐵鎵合金棒上,所以鐵鎵合金棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小,近似為激磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度大小。通過調(diào)節(jié)螺栓的松緊程度,來調(diào)整鐵鎵合金棒所受壓應(yīng)力的大小,用壓力傳感器來測(cè)試所加壓應(yīng)力具體數(shù)值。通過示波器采集不同壓應(yīng)力下鐵鎵合金棒上磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值,即可繪制出相應(yīng)的磁滯曲線。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2為棒狀鐵鎵合金施加16 MPa壓應(yīng)力,磁場(chǎng)頻率分別為20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz和60 Hz得到的一組磁滯曲線。由圖可知,在壓應(yīng)力作用下,棒狀鐵鎵合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為50 mT,且隨著磁場(chǎng)頻率的增加,棒狀鐵鎵合金的磁滯曲線的面積越寬,對(duì)應(yīng)飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度也越大。磁場(chǎng)頻率在20 Hz～50 Hz時(shí),頻率對(duì)棒狀鐵鎵合金的磁滯曲線影響較小,當(dāng)磁場(chǎng)頻率在50 Hz～60 Hz時(shí),磁場(chǎng)頻率對(duì)磁滯曲線影響較大,且磁滯效應(yīng)明顯增強(qiáng)。

圖2 16 MPa壓應(yīng)力不同磁場(chǎng)頻率下的磁滯曲線

圖3為棒狀鐵鎵合金施加25 MPa壓應(yīng)力,磁場(chǎng)頻率分別為20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz和60 Hz得到的一組磁滯曲線。由圖3可知,增大棒狀鐵鎵合金的壓應(yīng)力,在相同磁場(chǎng)頻率下,磁滯曲線的面積減小,對(duì)應(yīng)的磁滯效應(yīng)減弱。說明在壓應(yīng)力作用下,達(dá)到相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度,需要外界提供更大的磁場(chǎng),來抵消外加壓應(yīng)力產(chǎn)生的效果。壓應(yīng)力對(duì)磁滯曲線的磁感應(yīng)強(qiáng)度基本無影響,主要是磁場(chǎng)強(qiáng)度相應(yīng)的增大,使得鐵鎵合金的磁導(dǎo)率有所下降。從微觀磁疇學(xué)角度分析可知:外界的壓應(yīng)力,使得棒狀鐵鎵中的磁疇間距減小,磁疇間的摩擦力也相應(yīng)增強(qiáng),故需較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度,才能達(dá)到較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖3 25 MPa壓應(yīng)力不同磁場(chǎng)頻率下的磁滯曲線

圖4為棒狀鐵鎵合金施加35 MPa壓應(yīng)力,磁場(chǎng)頻率分別為20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz和60 Hz得到的一組磁滯曲線。由圖4可知,當(dāng)棒狀鐵鎵合金的壓應(yīng)力達(dá)到35 MPa時(shí),磁場(chǎng)頻率對(duì)于磁滯曲線的影響減弱,不同磁滯曲線幾乎重合到一起。隨著壓應(yīng)力的增大,棒狀鐵鎵合金的磁滯曲線面積不斷減小,磁滯效應(yīng)也在不斷下降。在壓應(yīng)力達(dá)到35 MPa時(shí),棒狀鐵鎵合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為60 mT,且隨著磁場(chǎng)頻率的增加,棒狀鐵鎵合金的磁滯曲線的面積略有增加。說明在35 MPa壓應(yīng)力作用下,磁疇之間的空隙已經(jīng)減小到了極致,外界磁場(chǎng)頻率對(duì)磁疇的運(yùn)動(dòng)基本無影響。

圖4 35 MPa壓應(yīng)力不同磁場(chǎng)頻率下的磁滯曲線

圖5為棒狀鐵鎵合金在磁場(chǎng)頻率為30 Hz,壓應(yīng)力分別為5.23 MPa,16.57 MPa,29.65 MPa和34.89 MPa得到的一組磁滯曲線。由圖5可知:隨著壓應(yīng)力的增加,磁滯曲線的形狀不斷被壓縮,磁滯曲線的面積越來越小,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的值也越來越小,而對(duì)應(yīng)的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度越來越大。從棒狀鐵鎵合金的導(dǎo)磁性角度分析,可知:在相同磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下,壓應(yīng)力越大,對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也越大,由磁導(dǎo)率的定義可知,壓應(yīng)力越大,棒狀鐵鎵合金磁導(dǎo)率越小,導(dǎo)磁性在下降。但施加較大壓應(yīng)力可以減小棒狀鐵鎵合金的磁滯效應(yīng),有利于減小磁場(chǎng)的滯后性,提高鐵鎵合金的實(shí)時(shí)性。

圖5 30 Hz不同應(yīng)力下的磁滯曲線

圖6為不同壓應(yīng)力作用下,矯頑力隨磁場(chǎng)頻率的變化關(guān)系曲線。隨著磁場(chǎng)頻率的增加,棒狀鐵鎵合金的矯頑力在不斷地增大,且在相同磁場(chǎng)頻率下,壓應(yīng)力越大,棒狀鐵鎵合金的矯頑力也越大。說明施加壓應(yīng)力,需要外界較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度才能使其磁感應(yīng)強(qiáng)度退回到零。施加壓應(yīng)力的棒狀鐵鎵合金,軟磁特性變差。

圖7為不同壓應(yīng)力作用下,電磁損耗隨磁場(chǎng)頻率的變化關(guān)系曲線。由圖7可知:隨著磁場(chǎng)頻率的增加,棒狀鐵鎵合金的電磁損耗不斷增加,且隨著磁場(chǎng)頻率的增大,電磁損耗增加的幅度也越來越大,電磁損耗隨磁場(chǎng)頻率近似指數(shù)形式增加。棒狀鐵鎵合金的壓應(yīng)力越大,在相同磁場(chǎng)頻率下對(duì)應(yīng)的電磁損耗也越大。說明棒狀鐵鎵合金在壓應(yīng)力下,磁疇間的空隙減小,在外界磁場(chǎng)作用下,磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦和碰撞的阻力增大,相應(yīng)的棒狀鐵鎵合金的電磁損耗增加。在特定壓應(yīng)力下,隨著磁場(chǎng)頻率的增加,棒狀鐵鎵合金的磁疇運(yùn)動(dòng)的速度加快,導(dǎo)致磁場(chǎng)頻率較高時(shí),對(duì)應(yīng)的電磁損耗增大。

圖6 不同壓應(yīng)力不同磁場(chǎng)頻率下的矯頑力曲線

圖7 不同壓應(yīng)力不同磁場(chǎng)頻率下的電磁損耗曲線

4 結(jié)論

①鐵鎵合金棒在恒定壓應(yīng)力作用下,隨著磁場(chǎng)頻率的增加,磁滯曲線的面積在不斷增大,且壓應(yīng)力越大,磁滯曲線隨磁場(chǎng)頻率的變化越小;鐵鎵合金棒在恒定的磁場(chǎng)頻率下,隨著壓應(yīng)力增大,鐵鎵合金棒的磁滯曲線不斷減小,導(dǎo)磁性有所下降。

②鐵鎵合金棒在恒定的壓應(yīng)力下,隨著磁場(chǎng)頻率的增大,矯頑力和電磁損耗也不斷增大;鐵鎵合金棒在恒定的磁場(chǎng)頻率下,隨著壓應(yīng)力的增大,矯頑力和電磁損耗不斷增大的。對(duì)鐵鎵合金在受壓環(huán)境下的磁性能研究,為鐵鎵合金傳感器的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。